Immer wieder gebraucht, nur um es später wieder zu verschrotten:
Eine Spulenwickelmaschine.
Das eigentliche Problem ist die professurübergreifende Werkstatt:
Sie „sitzt“ auf einer entsprechenden Apparatur
ohne sie verwenden zu können oder zur Verwendung herauszugeben.
Andererseits ist der Apparat nicht universell genug und IMHO unmotorisiert.
Professuren hingegen sagen sich „Wozu Spulen wickeln? Kann man kaufen!“.
Dennoch ist es häufig nötig, eine maßgeschneiderte Spule oder Trafo zu wickeln.
Ganz von Hand ist's dann doch zu umständlich.
Als Wissenschaftler bracht es dann doch ein solches Gerät,
das dann problemspezifisch gebaut wurde, und mein bisheriger Job als Techniker
war es bisher, unzählige solcher Hinterlassenschaften zu schlachten,
da sie sich nicht universell einsetzen lassen und zu viel Platz fressen.
Im allgemeinen wird man einen runden oder viereckigen Spulenrahmen bewickeln, entweder vorhanden/gekauft oder 3D-gedruckt. Im speziellen sind Ringkerne zu bewickeln. Diese benötigen eine gesonderte Maschine.
Problem 1: Für den Versuch „Asynchronmotor bewickeln“ wird eine Apparatur benötigt, mit dem ein 3D-gedruckter Wickelhilfskörper von einer großen, schweren Vorratsrolle aus mit ca. 1 mm dicken Kupferlackdraht bewickelt werden kann. Die Vorgängerkonstruktion leidet an ihrer Unvollständigkeit (kein funktionierendes Zählwerk) und Schwerfälligkeit (groß, unhandlich, mehrteilig, unmotorisiert). Weitere Basteleien anderer wissenschaftlicher Mitarbeiter führten zu einem Sammelsurium riesiger und damit teurer sowie unrobuster, leicht zerbrechlicher 3D-Druckteile.
Problem 2: Es wird eine universelle Wickelvorrichtung benötigt. Etwaiger Gebrauchsrahmen:
Lösung: Als Ausgangspunkt dienen nun 2 (zwei!) Akkuschrauber (hier ohne Gangschaltung) aus der NiCd-Ära. Da sind letztlich stets die Akkus kaputt, während Motor, Getriebe, Rutschkupplung und Spannfutter (bis 10 mm Durchmesser) in Ordnung sind. Dabei arbeiten beide Motoren gegeneinander, und die bisherige mechanische Bremse, die den Draht straff hält, kann entfallen. Wie bisher gibt es (jetzt pro Achse) ein großes, hölzernes Handrad zur manuellen Bedienung, worauf man ggf. den Wickelkörper verdrehsicher befestigen darf. Das Rahmenmaterial Sperrholz 12 mm Dicke wurde beibehalten und gab auch die Grobmaße vor:
Im Grundausbau werden die Motoren von einem kräftigen Doppel-Labornetzgerät (max. 5 A und 12 V) versorgt. Das mechanische Zählwerk kann — je nach Anordnung der grauen Zahnräder auf der Rückseite — die linke oder rechte Achse jeweils im Links- oder Rechtslauf zählen. Prinzipiell ist der Gebrauch auch ohne Strom möglich, aber mit ist schon für die Aufrechterhaltung der Drahtspannung von großem Vorteil. Die Drahtführung ist ohne Antrieb. Zur Gewährleistung der Verdrehsicherheit sollten die Gewindestangen im Bereich des Spannfutters dreikantig flachgefeilt werden. Die Sperrholzscheibe ist mit Innengewinde versehen. Im Foto ist eine 10-mm-Achse zu sehen, das Maximum für ein werkzeugloses Schnellspannfutter eines Akkuschraubers. Für kleinere Spulen erscheint ein zweites Set mit 6-mm-Achse zweckmäßig, und/oder eine achslose Scheibe mit 6-mm-Sechskant. Für besonders schwere Spulen gibt es einen Lagerbock mit Kugellager. Dieser wird mit Langloch und M6-Flügelmutter gesichert.
Projektdateien:
Im Zwischenausbau wurde die Drahtführung mit einer motorisierten
Gewindestange ausgestattet.
Mal nicht mit Schrittmotor (zu langsam) sondern Direktantrieb mit einem
guten Gleichstrommotor (= lag 'rum und muss mal weg:
RS-455PA).
Ein Problempunkt ist, ein Kugellager winkelrecht auf der Gewindestange zu fixieren.
Dazu folgendes Vorgehen: Das Lager wird mit zwei Muttern am Ende der Stange gerade-fest-genug fixiert
und das Lager waagerecht gehalten. Die Stange wird sich nach unten drehen.
Mit einem kleinen Hammer auf die Mutter so schlagen, dass sie sich auf den Gewindeflanken verschiebt
und so oft probieren und wiederholen, bis der Ausschlag des Endes der Gewindestange weniger als ±1 mm beträgt.
Dann festbrummen und nochmal kontrollieren.
Und nie wieder abschrauben!
Motorhalter und Kupplung aus dem 3D-Drucker; an der Kupplung befindet sich
eine Lochscheibe mit 8 Löchern für die Doppellichtschranke.
Die Kupplung erfolgt über die Sechskantmutter am Festlager.
Irgendwann ist die Windungszahl elektronisch zu erfassen.
Das Problem käuflicher Inkrementalgeber ist,
dass sie eine freie Achse benötigen.
Und das schlichte Zählen von Umdrehungen mit Lochscheibe und Gabelkoppler
ist anfällig für Zählfehler an der Flanke und erst recht beim Rückwärtsdrehen.
Daran hat sich bereits ein chinesischer Werkstudent abgeeichelt
und dabei Unmengen 3D-Druckteile für die Mülltonne erstellt
— klar dass das so nichts wird!
Hätte mich ja fragen können, notfalls auf 汉语.
Daher wurde hier ein Eigenbau ersonnen,
der faktisch nur mit 3D-Drucker aufgebaut werden kann.
Da Lichtschranken zum Einsatz kommen, müssen die Bauteile,
vor allem die Lochscheibe, aus lichtundurchlässigem Material bestehen,
hier schwarzes PLA.
Alle anderen Bauteile wurden in der gut sortierten Bastelkiste gefunden,
für insgesamt 6 Gabeln.
Der Drehgeber ist hier ein optischer Inkrementalgeber der Marke Eigenbau. In der Bastelkiste wurden >20 SMD-LED mit 2-mm-Linse ähnlich TSML1000 sowie 13 Fototransistoren, ebenfalls mit 2-mm-Linse, TEMT1000 gefunden, von denen jeweils 10 als Lochstreifenscanner verschaltet und verbastelt waren; wahres Recycling also. Der elektrisch-optische Teil besteht aus einer gabelförmigen Anordnung aus 2 Infrarot-Leuchtdioden und 2 Fototransistoren auf 2 winzigen Lochrasterplatten 7,6 × 6 mm in einem 3D-gedruckten Gehäuse mit den Kantenmaßen 8 × 10 × 13 mm ohne Deckelplatte. Diese wird in ein Loch einer ebenfalls 3D-gedruckten lichtdichten Abschirmung gesteckt, mit der Lochscheibe (Dicke 0,6 mm) in der Gabel (Spaltbreite 1 mm). Auf der Welle sitzt die Lochscheibe mit 8 (Drahtführung) bzw. 10 (Wickelachsen) Löchern. Die Dezimalteilung erleichtert die Anzeige einer Kommastelle. Die Anzahl der Löcher legt den Durchmesser der Scheibe fest: ⌀30 mm für 8 Löcher, ⌀36 mm für 10 Löcher. Weil die Lochgröße und deren Abstand auf 5,08 mm festgelegt ist, wegen der Bauelemente auf der Lochrasterplatte, für manierliche Tastverhältnisse und Phasenlagen; siehe Oszillogramm.
Dimensionierung: Die offene Lichtschranke mit nur knapp 2 mm Lichtweg in Luft hat ein überraschend schlechtes Stromübertragungsverhältnis CTR! Um den Fototransistor am ziemlich hochohmigen mikrocontroller-internen Pullup von 40 kΩ zu TTL-Pegeln zu bewegen, d.h. bei voller IR-Beleuchtung Low-Pegel generieren zu lassen, muss man an den gegenüber stehenden LED gefräßige >20 mA Strom verbraten! Das mag zwar gehen und liefert schöne steile Flanken, für maximal 500 Hz tut es aber auch eine Zehntelung des LED-Stroms und entsprechend Pullups von 470 kΩ. 3 mA ist immer noch nicht sehr sparsam aber bei Netzbetrieb akzeptabel. Die zwei zusätzlichen Widerstände plane ich gerne mit ein.
Im Endausbau übernimmt der Gleichstrommotor mit Drehgeber die Drahtführung, und ein Mikrocontroller:
Schaltungsbeschreibung: Will man bei ATmega32U4 bleiben, kommt man nicht ganz um einen Portexpander herum. Hier als Vierfach-Flipflop, das aus dem 4-Bit-Bus zum HD44780-kompatiblen Display vier langsame Ausgänge für Relais u.ä. herausholt. Ein STM32F4xx erschien mir für diese Aufgabe mit Kanonen auf Spatzen geschossen auch wenn das preislich im Vorteil sein möge. Um sich den Brückentreiberkram für 10 A zu ersparen, dienen Relais zur Drehrichtungsumkehr. Wenn die Firmware in Ordnung ist, schalten die Kontakte nie unter Last.
Ressourcennutzung: Als wichtigeste Peripherie wird das USB-Device für WebUSB genutzt. Weiterhin dienen 3 PWM-Ausgänge zur Drehzahlsteuerung. Weil der High-Speed-Timer4 ungünstig auf Portpins verteilt ist, kommt der (ausreichend schnelle) Timer1 zum Zug, wie schon bei der Ofensteuerung. Der A/D-Wandler misst den Strom an den Shunts zur Drehmomentbegrenzung. Der tatsächliche Motorstrom muss mit dem Tastverhältnis verrechnet werden. Die vier Drehgeber bekommen interruptfähige Eingänge des Mikrocontrollers ab, wobei es bei diesem Controller nicht allzu viele davon gibt. Damit erfolgt die die Drehzahlregelung und das Zählen der Windungen.
Neu ist hier der Versuch, als/trotz USB-Slave als Ladegerät zu fungieren. Um das Smartphone mit WebUSB-Äpp dauerhaft angeschlossen haben zu können.
Als Vorlage für das Non-USB-Human-Interface dient der (mittlerweile veraltete) 3D-Drucker MK3S von Průša. Auch dieser verwendet ein vierzeiliges LCD gemeinsamen mit einem Inkrementalgeber mit Tastfunktion für sehr gute Interaktivität bei minimaler Anzahl von Knöpfen.
Die Schottky-Dioden D6 bis D8 behindern den Handbetrieb in einer der beiden Richtungen! Wenn's stört, die Motorleitung abstecken.
Dimensionierung: In der Forschung zum Thema Leistungselektronik kommen nur Ferrit-Ringkerne mit Innendurchmesser ab 12 mm infrage. Das legt die Größe der Vorratsspule und des Fädelrades fest; beide müssen durch das Innenloch der bewickelten(!) Spule passen. Ansonsten bleibt nur ein Roboter, der das Drahtende menschengleich durch das Innenloch fädelt, mit 2 einigermaßen unabhängigen Greifern.
